11308工作面底板巖層破壞深度現場實測分析

李利軍

(山西焦煤集團 介休正益煤業有限公司，山西 介休 032000)

近年來，對于煤層底板破壞深度的探測技術的研究得到快速發展，眾多探測技術紛紛運用到各礦井工作面實際開采過程中，獲得了大量實測結果，取得了良好效果，推動了底板采動破壞機理相關研究的發展。常用的探測技術有鉆孔注水法、地球物理探測法、直流電阻率法、震波CT法、電磁輻射法、超聲波探測技術、網絡并行電法等，這些方法都有各自的優點和缺陷[1-3].

以上井下實測方法效果較好，但經常受井下復雜條件限制，且經濟成本高，而鉆孔雙端封堵測漏法適用性強，經濟成本不高，操作簡單，效果良好[4-6]. 某礦3上煤開采11308工作面時采用了鉆孔雙端封堵測漏法對底板破壞深度進行探測。

1 礦井地質條件

某礦地層屬華北地層區魯西地層分區。井田走向長度為5.08～5.71 km，平均為5.61 km，傾斜寬為4.72～8.03 km，平均為6.36 km，開采深度為-300～-1 100 m 水平，井田面積為28.64 km2. 帶區內地質構造相對簡單，局部地區褶曲寬緩發育，煤層底板小有波動，局部變化較大，煤層傾角3°～11°，平均為7.04°，總體呈近水平。由鉆孔資料可知，地層自上而下依次為第四系(Q)、侏羅系(J5 m)、二迭系(P)、石炭系(C5+2)及奧陶系(O1+2). 11308 工作面所開采的煤層為二疊系山西組內31煤層，其煤層頂、底板巖體性質的基本特征見表1.

11308工作面所采煤層平均厚度為1.91 m，埋深960 m左右，煤體賦存相對穩定，其內結構為簡單～一般簡單，單條正斷層SF142，無溶洞存在，無小型滑動構造。31煤層頂板巖性基本為泥巖、中砂巖及粉砂巖，細砂巖則較薄；底板巖層主要由泥巖和粉細砂巖組成。直接底泥巖厚度為2.03 m，屬砂質泥巖，層理發育；基本底粉細砂巖厚4.90 m，碎屑以石英為主，斜層理發育。

經前期開采揭露得到的地質情況統計，大小斷層共16條，5條斷層落差大于100 m，6條斷層落差大于50 m小于100 m，2條斷層落差大于30 m小于50 m，3條斷層落差小于30 m. 所測11308工作面內含一條斷層，斷層為落差10 m正斷層。目前未發現大型斷裂構造帶，需要在開采過程中揭露發現。

2 現場底板采動破壞深度探測

2.1 底板破裂深度計算

11308工作面采用的是傾斜長壁仰采采煤法，地質條件適合的采煤工藝為綜合機械化采煤。3上煤層主要賦存范圍為礦區西北部，底板巖層直接底為泥巖，基本底為粉砂巖，其厚為0.85～14.36 m，底板巖層中間夾雜著炭質泥巖、細砂巖，厚度較薄。

表1 由鉆孔數據所得的煤層頂底板巖性表

根據國家煤礦安全監察局發布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，規程給出關于底板巖層破壞高度的大小，可由以下經驗公式進行計算：

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：

h1—底板導水破壞深度，m；

H—埋深，m;

L—開采工作面斜長，m；

α—煤層傾角，(°).

該礦3上煤開采11308工作面斜長為120 m，開采深度為960 m，煤層傾角近似為7°，為近水平煤層，采用式(1)對導水破壞深度進行計算。將數據代入式(1)，得到該工作面煤層底板巖層采動破壞深度：

h1=17.93 m

據此，在實際探測開始前，計劃觀測鉆孔深度應在底板巖層采動破壞深度15～24 m，同時，也要將設計觀測鉆孔深度適當地增大，留出一段未破壞巖層的漏失量與巖石破壞段進行對比分析。

2.2 觀測位置和鉆孔施工

根據礦井實際地質概況及探測技術條件，在工作面中部布置3個觀測鉆孔，方位見圖1，鉆孔俯角分別為155°、20°、25°，其中1#鉆孔為開采前觀測鉆孔，2#、3#鉆孔均為開采后觀測鉆孔。根據式(1)結果得出，破壞帶最大深度為17.93 m. 底板鉆孔施工要素及要求見表2，底板巖層鉆孔剖面示意圖見圖1.

表2 鉆孔施工要素表

圖1 底板巖層鉆孔剖面示意圖

1#鉆孔是在工作面尚未回采時進行觀測的，2#、3#鉆孔均是在工作面開采結束后進行觀測的，3個鉆孔均位于觀測巷道，具體施工觀測流程如下：

3 實測結果及分析

3.1 實測結果

某礦11308工作面1#、2#、3#三個鉆孔的具體注水漏失量成果圖見圖2.

基于對該工作面底板破壞的估計，淺部未進行觀測，從30 m處開始觀測，從表中的數據可以看出，開采結束后的注水量測試數據比開采過程中以及采前明顯增大，一般地，開采后的分段注水量為開采前的3～5倍，個別點甚至更大。可見，巖體受采動影響破壞后的滲透率比原始滲透率要大得多，破壞后巖體滲透率要比破壞前大1～5倍，甚至十幾倍。

圖2 鉆孔注水漏失量觀測示意圖

3.2 觀測資料分析

1) 對于1#采前鉆孔，在鉆孔深度為31～33 m和39～42 m處，漏失量較大，分別為1.7 L/min和2.9 L/min，根據前后深度漏失量大小和底板巖層性質分析，可能是局部原生裂隙發育或因鉆孔加劇其裂隙擴展或工作面開采的影響。在孔深43～50 m段，漏水量小于1 L/min，說明該區域內巖層完整性良好，原生裂隙發育不明顯。

2) 對于2#采后鉆孔，自孔深36～46 m，鉆孔漏水量均超過10 L/min，出現連續漏水現象，說明該部分巖層裂隙已經貫通，受采動效應影響較嚴重，底板處于破壞狀態；在孔深47～50 m附近，鉆孔漏水量在3 L/min左右，比1#采前鉆孔同深度處漏失量稍大，說明該區段巖層也受采動影響但是影響程度不大；在孔深51 m附近，鉆孔漏水量又增加，對比1#鉆孔同深度漏失量也突然增大，推測該段附近有較發育的大裂隙；最大漏水量在鉆孔深度45 m左右，漏失量約為16.1 L/min. 由此可計算，在2#鉆孔中，鉆孔深度45 m處應為實測底板破壞帶的邊界，由該鉆孔分俯角為20°可得，從煤層頂界到此處的垂高為5.39 m.

3) 對3#采后鉆孔，自鉆孔深度32～44 m處，鉆孔呈現出連續漏水狀態，漏失量為8～15.8 L/min，反映出該段巖層完整性已遭破壞，最大漏失量出現在孔深42 m處，數值為15.8 L/min；從孔深45～54 m段，鉆孔漏水量呈明顯減少狀態，為0～2 L/min，但中間在孔深49 m段，出現明顯漏水點，鉆孔漏水量約為8.3 L/min. 由此數據可得，在3#采后孔，實測底板裂縫帶的上界位于鉆孔深度41 m處，由該鉆孔俯角為25°可計算，從煤層頂界到此處的垂高為17.6 m.

由以上鉆孔漏失量數據結果分析可知，綜合2#鉆孔和3#鉆孔的數值，實測煤層底板巖層破壞深度最大值為17.6 m.

4 結果對比分析

以某礦3上煤11308工作面底板巖層采動破壞深度為主要研究對象，運用經驗公式、現場實測方法進行探討，所得結果見表3.

表3 方法與結果對比分析表

對于該礦11308工作面底板巖層采動破壞深度，理論公式計算出的破壞深度預計值為17.93 m，而現場實測底板巖層破壞深度為17.6 m. 由于經驗公式在計算上偏保守，為了安全開采其取值要比實際值大。

5 結 論

通過對某礦11308工作面實際開采底板巖層破壞深度進行鉆孔注水探測實驗，得出以下結論：

1) 通過運用“鉆孔雙端封堵測漏裝置”對某礦3上煤11308工作面底板巖層采動破壞深度進行了現場實測，得到該工作面損傷底板巖層破壞深度為17.6 m.

2) 所得結論是基于具體特定地質條件下底板巖層的破壞情況，對該礦3上煤安全高效開采有一定實際意義。